Такуйя Икегуши, Риоджи Тамаи, Ряозо Танака, Масанори Рью – Kawasaki Heavy Industries Ltd.

В целях экономии электроэнергии растет необходимость в ее распределенном производстве для стабильного обеспечения потребителей. При этом для снижения эксплуатационных затрат все более востребовано высокоэффективное оборудование. Кроме того, начинают активно применяться электростанции на возобновляемых источниках энергии, снижая вредное воздействие на окружающую среду. В связи с этим внимание заказчиков привлекают электростанции когенерационного и комбинированного цикла на базе передовых ГТУ.
Учитывая тенденции развития энергетического рынка, японская компания Kawasaki Heavy Industries Ltd. (KHI) разработала газовую турбину L30A в классе мощности 30 МВт. В статье представлен опыт, полученный при ее создании, испытаниях и коммерческой эксплуатации.

В 2007 г. компания KHI начала разработку двухвальной газотурбинной установки L30A для использования ее в качестве механического привода и для выработки электроэнергии на нефтегазовых рынках. Общий вид ГТУ представлен на рис. 1; основные характеристики – в табл. 1. Целью создания ГТУ было достижение КПД на уровне 40 % при мощности 20…35 МВт.
В конструкции турбины L30A использованы осевой компрессор, трубчатая камера сгорания, горизонтальный разъем корпуса, которые были отработаны на ГТУ М7А и L20A. Кольцевая конструкция силовой турбины обеспечила более высокое сопротивление деформации и высокую эффективность. Данная структура была заимствована у газовых турбин M1F и Super Marine Gas Turbine (SMGT), которые ранее были разработаны в рамках национальной программы.

Конструктивные особенности L30A
1.    Самый высокий КПД газовой турбины в классе мощности 30 МВт. Для достижения высокого КПД была увеличена степень повышения давления в компрессоре, повышена эффективность компонентов ГТУ и разработана передовая система охлаждения. У других газовых турбин KHI данного модельного ряда степень повышения давления в компрессоре составляет 18, а у ГТУ L30A этот показатель – 24,5, что существенно повышает ее другие эксплуатационные характеристики.
С помощью программ компьютерного моделирования был оптимизирован профиль лопаток всех ступеней компрессора. Балансировка ступеней выполнялась с применением программы CFD (Computational Fluid Dynamics). В связи с использованием высоких рабочих температур, для охлаждения лопаток была специально разработана и запатентована система пленочного охлаждения.
Для создания оптимальной конструкции лопаток был проведен тщательный анализ теплообмена и распределения температурного поля на поверхности лопаток.
2.    Низкие уровни эмиссии. Уровни эмиссии СО₂ были снижены за счет повышения КПД двигателя. Снижение выбросов NOx обеспечила низкоэмиссионная камера сгорания. При ее разработке использовался опыт, полученный при эксплуатации низкоэмиссионных камер сгорания двигателей М7А и L20A. Камера сгорания газовой турбины L30A оснащена топливными форсунками, предназначенными для подачи обедненной топливовоздушной смеси, а также горелками трех типов, обеспечивающими низкие уровни эмиссии при работе на всех режимах.
3.    Простота обслуживания. Отверстия для визуального контроля состояния компонентов ГТУ расположены таким образом, что поверхности всех блоков горячей проточной части могут быть проверены без разборки двигателя. Как и у других газовых турбин компании Kawasaki, секция газогенератора имеет горизонтальный разъем корпуса, а также многотрубчатую камеру сгорания. Это сокращает время на техническое обслуживание и замену компонентов.
Кроме того, модульная конструкция ГТУ позволяет проводить техническое обслуживание и ремонт в станционных условиях без демонтажа двигателя. Опыт эксплуатации ГТУ L30A показывает, что расходы за жизненный цикл двигателя значительно снижены.

Процесс разработки двигателя
Перед началом работ по созданию газовой турбины L30A специалисты компании провели детальный анализ возможных причин возникновения аварийных ситуаций и остановов двигателя (FMEA – Failure Mode and Effects Analysis). Цель данного анализа – устранение причин и дефектов конструкции еще на стадии проектирования. Для устранения возможности их возникновения на испытательном стенде было проведено большое количество испытаний. Полученные данные использовались специалистами при разработке конструкции и доводке двигателя.

Предварительный анализ
•    На этом этапе проводился комплексный анализ теплопроводимости и распределения потока. Чтобы обеспечить оптимальные температуры рабочих лопаток, а также максимальное сопротивление эффекту ползучести металла, изучалось распределение потока рабочего тела из камеры сгорания и потока охлаждающего воздуха в каналах внутри лопаток. На основе полученных результатов были определены оптимальные профили и необходимое количество каналов охлаждения лопаток.
•    Был проведен анализ параметров нелинейной вибрации. Все рабочие лопатки силовой турбины имеют конечные соединения в форме Z, обеспечивающие гашение вибраций. Для разработки конструкции конечных соединений в процессе испытаний анализировался уровень вибрации в точке соединений лопаток с рабочим колесом. Выяснилось, что лопатки имеют достаточный резерв устойчивости к гармоничным и случайным вибрациям.

Стендовые испытания
•    Перед испытаниями полноразмерного двигателя проводились испытания стендовой модели компрессора (63 % от натурального размера) (фото 1). Для снижения риска аварийных ситуаций были проверены и оптимизированы такие параметры: работа компрессора в процессе пуска двигателя, взаимодействие ступеней, динамика изменения параметров на переходных режимах, оптимизация геометрии направляющих лопаток.
•    Испытания камеры сгорания проводились при тех же значениях температуры и давления, что и для двигателя, на испытательном стенде подразделения компании в г. Аахене.
•    Были проверены и оптимизированы такие характеристики процесса горения, как параметры зажигания, уровни эмиссии, продолжительность зажигания и стабильность горения, распределение температурного поля по поверхности компонентов горячей проточной части.
•    В процессе создания газовой турбины L30A были разработаны различные специальные технологии производства компонентов, такие как отливка рабочих лопаток и нанесение термобарьерных покрытий, технологии электронно-лучевой сварки. Кроме того, создано оборудование, которое позволило реализовать данные технологии для изготовления компонентов самой первой модели пилотного двигателя.

Результаты опытно-промышленной эксплуатации
Для проведения полномасштабных испытаний и опытно-промышленной эксплуатации ГТУ L30A был построен испытательный стенд на площадке завода Akashi компании KHI (фото 2). Стенд был оснащен резервным хранилищем природного газа. Испытания газотурбинной установки проводились в четыре этапа.
1.    Испытания процесса пуска двигателя и динамики набора мощности. На рис. 2 представлен график набора мощности ГТУ с момента пуска до выхода на номинальную мощность. Процесс пуска двигателя был оптимизирован с учетом результатов испытаний, и в течение полномасштабных тестов проблем в этой области не возникало. Мониторинг эксплуатационных параметров двигателя подтвердил, что в процессе пуска и набора нагрузки двигатель работает стабильно. Отклонений рабочих параметров не было выявлено. Период выхода двигателя на полную мощность из состояния холодного резерва составляет 15 минут. Это обеспечивает полное соответствие ГТУ L30A требованиям, предъявляемым к оборудованию для работы в резервном и пиковом режиме в Германии и других европейских странах.
2.    Проверка эксплуатационных параметров двигателя. Характеристики двигателя были получены путем перевода данных по результатам испытаний в систему ISO с использованием собственной технологии пересчета. Расчетные и фактические характеристики ГТУ L30A представлены на рис. 3 и в табл. 2.
3.    Ресурсные испытания ГТУ L30A. С использованием системы телеметрического контроля проводились замеры уровней вибрации рабочих лопаток компрессора и турбины для предотвращения резонирования и разрушения лопаток в процессе эксплуатации (рис. 4). На основании этих данных были оптимизированы профили крепления хвостовика лопаток, с тем чтобы уровни вибрации находились в допустимых пределах.
Поскольку рабочие температуры в турбине достаточно высокие, был проведен анализ температуры металла лопаток с использованием системы измерения инфракрасного излучения – пирометром. Эти показатели соотносились с данными комплексного анализа теплопроводимости и распределения потока, в результате были устранены проблемы с перегревом лопаток в процессе эксплуатации.
4.    Испытания низкоэмиссионной камеры сгорания. Камера сгорания DLE оснащена тремя горелками – пилотная, основная и вспомогательная. В период эксплуатации двигателя в низкоэмиссионном режиме пилотная горелка поддерживает пламя на минимальном уровне (рис. 5). При повышении нагрузки подача топлива на вспомогательную горелку увеличивается, эмиссия NO_x при этом поддерживается на минимальном уровне.
На рис. 6 представлены результаты испытаний камеры сгорания в составе двигателя. При их проведении были подтверждены данные предварительных испытаний: уровни эмиссии NO_x составляют менее 15 ppm (15 % О₂) при нагрузках 50…100 %.

Опыт коммерческой эксплуатации
Одновременно с проведением полномасштабных испытаний ГТУ L30A были рассчитаны ее эксплуатационные параметры при работе в составе когенерационной электростанции. В табл. 3 приведены эксплуатационные параметры ТЭС на базе L30A электрической мощностью 28 МВт и производительностью 46 т/ч насыщенного пара. Общий термический КПД станции – 83 %.
Затем были рассчитаны показатели по сокращению эмиссии СО₂ и экономии электроэнергии, получаемой от ТЭС, по сравнению с приобретением ее из энергосети по рыночным ценам, и выработке пара с использованием парового котла. В результате было установлено, что в течение 8000 часов эксплуатации сокращение эмиссии СО₂ составляет 117000 т в год, экономия энергии – 24000 м³ в нефтяном эквиваленте.
Более того, ГТУ L30A является оптимальной для использования в составе электростанций комбинированного цикла – при этом КПД достигает 50 %. Параметры станции комбинированного цикла приведены в табл. 4. ТЭС комбинированного цикла позволяют использовать большее количество станций на возобновляемых источниках энергии в составе энергосистемы. При этом они дают возможность быстро покрыть дефицит электроэнергии в сети при снижении скорости ветра или при низкой интенсивности солнечного света.
В октябре 2012 года была запущена в коммерческую эксплуатацию демонстрационная электростанция когенерационного цикла на площадке химического комбината, расположенного на западе Японии. На фото 3 представлен общий вид электростанции PUC300D и газотурбинный блок L30A. Перед запуском проверялась способность станции оперативно реагировать на мгновенное падение и наброс нагрузки. Результаты испытаний на различных режимах эксплуатации подтвердили, что колебания частоты находятся в допустимых пределах. На рис. 7 показана динамика изменения частоты вращения ротора турбины при сбросе нагрузки. Пиковая частота вращения ротора находится в допустимых пределах. При этом не происходит срыва пламени или помпажа компрессора.
На сегодня общее время эксплуатации демонстрационной станции составляет более 8000 часов. После проведения бороскопической инспекции было установлено, что все компоненты горячей проточной части находятся в удовлетворительном состоянии и не имеют повреждений или каких-либо серьезных проблем. Результаты инспекции представлены на рис. 8.
Система удаленного мониторинга Technonet компании KHI позволяет операторам контролировать эксплуатационные параметры установки и состояние компонентов дистанционно, из центрального офиса. Мониторинг ведется постоянно в течение всего периода эксплуатации.

Заключение
В настоящее время конструкторские работы по созданию энергетической ГТУ L30A завершены. Демонстрационная электростанция когенерационного цикла находится в опытнопромышленной эксплуатации с октября 2012 г. За этот период подтверждены все заявленные эксплуатационные характеристики. Достигнуты высокие показатели по снижению эмиссии СО₂ и экономии энергии.
Компания Kawasaki Heavy Industries Ltd. продолжает работы по совершенствованию ГТУ L30A, чтобы обеспечить возможность ее использования в качестве механического привода для нефтегазового рынка.

Статья подготовлена по материалам доклада, представленного на конференции Power Gen Europe-2013, с согласия компании PennWell.